[论文解读] TDCOSMO VIII: Cosmological distance measurements in light of the mass-sheet degeneracy -- forecasts from strong lensing and IFU stellar kinematics

Akın Yıldırım, S. H. Suyu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 4

一句话总结

该论文预测，未来类似詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的积分场单元（IFU）恒星运动学将打破时延强引力透镜中的内部质量-sheet退化（MSD），在不依赖宇宙学模型假设的前提下，实现对时延距离和H₀的≤4%精度。通过在自洽的二维Jeans建模框架中结合IFU运动学、成像和时延数据，该研究证明恒星运动学可约束内部质量-sheet成分，并将H₀的不确定性降低至平坦ΛCDM宇宙学中的<4%。

ABSTRACT

Time-delay strong lensing (TDSL) is a powerful probe of the current expansion rate of the Universe. However, in light of the discrepancies between early and late-time cosmological studies, efforts revolve around the characterisation of systematic uncertainties in the methods. Here, we focus on the mass-sheet degeneracy (MSD), which is considered a significant source of systematics in TDSL, and aim to assess the constraining power provided by IFU stellar kinematics. We approximate the MSD with a cored, two-parameter extension to the lensing mass profiles (with core radius $r_{ m c}$ and mass-sheet parameter $λ_{ m int}$). In addition, we utilise mock IFU stellar kinematics of time-delay strong lenses, given the prospects of obtaining such data with JWST. We construct joint strong lensing and stellar dynamical models, where the time delays, mock imaging and IFU observations are used to constrain the mass profile of lens galaxies, and yield joint constraints on the time-delay distance ($D_{Δt}$) and angular diameter distance ($D_{ m d}$) to the lens. We find that mock JWST-like stellar kinematics constrain the internal mass sheet and limit its contribution to the uncertainties of $D_{Δt}$ and $D_{ m d}$, each at the &lt; 4% level, without assumptions on the background cosmological model. These distance constraints would translate to a &lt; 4% precision measurement on $H_{ m 0}$ in flat $ΛCDM$ for a single lens. Our study shows that IFU stellar kinematics of time-delay strong lenses will be key in lifting the MSD on a per lens basis, assuming reasonable core sizes. However, even in the limit of infinite $r_{ m c}$, where $D_{Δt}$ is degenerate with $λ_{ m int}$, stellar kinematics of the deflector, time delays and imaging data will provide powerful constraints on $D_{ m d}$, which becomes the dominant source of information in the cosmological inference.

研究动机与目标

• 评估未来IFU恒星运动学在打破时延强引力透镜中内部质量-sheet退化（MSD）方面的约束能力。
• 开发一种自洽的、基于物理动机的建模框架，将强引力透镜、时延、成像和单个透镜星系层面的空间分辨运动学数据相结合。
• 预测在不依赖宇宙学模型假设的前提下，利用未来JWST质量的数据可实现的宇宙距离（DΔt和Dd）及H₀的精度。
• 量化内部MSD与外部质量-sheet如何共同影响H₀的不确定性，以及IFU数据如何缓解前者的影响。
• 证明当内部MSD完全退化时，Dd成为H₀的主要约束来源，即使没有运动学数据也是如此。

提出的方法

• 该研究使用具有核心结构的两参数质量-sheet扩展（核心半径rc和质量-sheet参数λint）对透镜质量分布中的内部MSD进行建模，从透镜效应本身引入λint与H₀之间的退化。
• 构建联合强引力透镜与广义两积分轴对称Jeans模型，同时拟合时延、模拟HST成像以及来自类似JWST观测的空间分辨IFU恒星运动学数据。
• 分析使用了代表JWST能力的真实模拟IFU数据，其源上积分时间具有代表性，并假设内部质量-sheet具有物理解释的核心尺寸。
• 该方法在运动学数据中引入二维角向结构，以恢复恒星轨道各向异性的径向变化，从而在灵活性上超越球对称假设。
• 避免在星系群体层面使用信息性先验，为现有方法（如Birrer et al. 2020）提供互补路径。
• 最终对DΔt和Dd的推断完全独立于宇宙学模型假设，约束仅来自可观测量和对rc的物理先验。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来来自JWST的IFU恒星运动学能否打破时延强引力透镜系统中的内部质量-sheet退化？
• RQ2 IFU数据在多大程度上能约束内部质量-sheet成分（λint），并减少时延距离DΔt和角直径距离Dd的不确定性？
• RQ3 在平坦ΛCDM宇宙学假设下，结合IFU运动学、时延和成像，单个透镜系统可实现多高的H₀精度？
• RQ4 内部和外部质量-sheet如何共同影响H₀的不确定性，以及IFU数据能否缓解内部MSD的影响？
• RQ5 在核心半径趋于无穷大（rc ≳ 100 kpc）的极限情况下，Dd是否仍能独立于DΔt被约束，且是否成为主要的宇宙学信息来源？

主要发现

• 模拟的类似JWST的IFU恒星运动学可在不假设背景宇宙学模型的前提下，将每个透镜的DΔt和Dd约束在≤4%的精度内。
• 当核心半径≤20角秒时，IFU数据可有效打破内部MSD，该尺度在物理上合理且与H0LiCOW样本一致。
• 在平坦ΛCDM宇宙学中，即使考虑视线方向上的外部质量-sheet，IFU数据仍可使H₀的测量精度达到≤4%每透镜。
• 当内部MSD完全退化（rc ≳ 100 kpc）时，Dd成为H₀的主要约束来源，其精度可通过运动学和透镜数据约束在≤4%以内。
• 二维运动学结构使径向各向异性变化得以恢复，从而在准确性上超越球对称假设。
• 该方法自洽且不依赖宇宙学先验，为恢复因MSD导致的H₀测量精度损失提供了一条互补路径。